Elektriskā strāva

Augstsprieguma strāvas transformatori

Elektriskā strāva ir elektrisko lādiņu (lādiņnesēju) orientēta plūsma. Tā var izpausties trijos veidos: vadītspējas strāva vadītājos un pusvadītājos, kuros pārvietojas tādi lādiņnesēji kā elektroni, joni un elektronu caurumi (visbiežāk ar elektriskās strāvas jēdzienu saprot tieši šo strāvas veidu); konvekcijas strāva, kad pārvietojas lādēti makroskopiski ķermeņi, piemēram, putekļi, pilieni; nobīdes strāva, notiekot dielektriķu polarizācijai un depolarizācijai vai mainoties to polarizētībai, kad dielektriķī notiek lādiņu nobīde.

Elektriskā strāva vielā (vadītspējas strāva) var plūst tikai tad, ja tajā pietiekamā koncentrācijā eksistē brīvi lādiņnesēji, kas var pārvietoties makroskopiskā attālumā. Par šādām vielām saka, ka tās labi vada elektrisko strāvu jeb tie ir vadītāji. Lai strāva plūstu, vadītājā jāpastāv elektriskajam laukam, kuru rada strāvas avots. Elektriskā lauka spēks izraisa lādiņnesēju kustību. Lādiņnesēji var būt brīvie elektroni metālos, pozitīvie un negatīvie joni elektrolītos, pozitīvie un negatīvie joni un elektroni jonizētās gāzēs un plazmā, elektroni un caurumi pusvadītājos.

Lai būtu elektriskā strāva, jāveido noslēgta elektriskā ķēde, kurā ir strāvas avots. Strāvas avots nodrošina spriegumu, kā rezultātā ķēdē plūst elektriskā strāva ar noteiktu strāvas stiprumu.

Fizikālais apraksts

Strāvas virziens

Par elektriskās strāvas virzienu ir pieņemts pozitīvo lādiņu virziens

Par elektriskās strāvas virzienu pieņemts uzskatīt pozitīvo lādiņnesēju kustības virzienu. Tāpēc, ja strāva ir negatīvu elektronu plūsma (kā, piemēram, metālos), tad strāvas virziens ir pretējs elektronu orientētās kustības virzienam.

Strāvas stiprums

Elektriskās strāvas stiprums $I\$ ir elektriskais lādiņš $q\$, kurš noteiktā laikā $t\$ izplūst caur vadītāja šķērsgriezuma laukumu.

$I={\frac {q}{t}}\$

Precizējot, strāvas stipruma formula ir:

$I={\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}\$

kur

$\mathrm {d} q\$ — lādiņš, kurš izplūda caur vadītāja šķērsgriezuma laukumu

$\mathrm {d} t\$ — laika intervāls, kad notiek lādiņa plūsma.

Strāvas tilpuma blīvums

Elektriskās strāvas tilpuma blīvumu apzīmē ar ${\vec {j}}\$.

Ja lādiņnesēji pārvietojas tilpumā, tad to plūsmas līnijas šķērso virsmu $S\$

$I=\int _{S}{\vec {j}}\mathrm {d} {\vec {S}}=\int _{S}j_{n}\mathrm {d} S\$

kur

$j_{n}={\vec {j}}{\vec {n}}\$

${\vec {n}}\$ - virsmas $S\$ normāles vektors.

Ja lādiņnesēji ir metāla brīvie elektroni, $j=-env$, kur $e$ ir elektrona lādiņš, $n$ ir lādiņnesēju koncentrācija, $v$ ir lādiņnesēju orientētās kustības vidējais ātrums.

Saistība ar lādiņa tilpuma blīvumu

${\vec {j}}=\rho {\vec {v}}\$

kur

${\vec {v}}\$ - lādiņu orientētās kustības vidējais ātrums

Strāvas virsmas blīvums

Elektriskās strāvas virsmas blīvumu apzīmē ar ${\vec {i}}\$

Ja lādiņnesēji pārvietojas pa ķermeņa (vada) virsmu, tad to plūsmas līnijas šķērso līniju $l\$, kura veido šo virsmu.

$I=\int _{l}{\vec {i}}\mathrm {d} {\vec {l}}=\int _{l}i_{n}\mathrm {d} l\$

kur

$i_{n}={\vec {i}}{\vec {n}}\$

Saistība ar lādiņa virsmas blīvumu

${\vec {i}}=\rho _{S}{\vec {v}}\$

Līdzstrāva un maiņstrāva

Elektriskās strāvas veids ir atkarīgs no strāvas avota. Ja ir galvaniskais elements (baterijas, akumulatori), tad ir līdzstrāva, savukārt ģenerators ražo maiņstrāvu. Līdzstrāvā elektriskā strāva visu laiku plūst tikai vienā virzienā, bet maiņstrāvā strāvas plūšanas virziens periodiski mainās. Dažreiz tiek izmantoti arī angļu valodas apzīmējumi AC/DC, kur AC nozīmē maiņstrāvu (alternating current), bet DC apzīmē līdzstrāvu (direct current). Maiņstrāva plaši tiek izmantota sadzīves elektrotīklā. Audio un radio signāli arī ir specifiski maiņstrāvas piemēri.

Strāvas darbs un jauda

Darbs

Ja pa ķēdi, starp kuras galiem ir spriegums $U$, izplūst lādiņš $q$, tad elektriskais lauks, kas pastāv vadītājā, pastrādā darbu $A=qU$. Laikā $\Delta t$ caur vadītāja šķērsgriezumu izplūstošais lādiņš $q=I\Delta t$, kur $I$ ir strāvas stiprums, tātad $A=I\Delta tU$, kas arī ir strāvas darbs. Tā kā, pēc Oma likuma, $U=IR$, strāvas darbu var izteikt kā $A=I^{2}R\Delta t$ jeb $A={\frac {U^{2}}{R}}\Delta t$, kur $R$ ir patērētāja pretestība.

Pēc Džoula — Lenca likuma, gadījumā, ja elektroenerģijas patērētājs ir tikai vadītājs, kurš, strāvai plūstot, sasilst, tad viss strāvas darbs ir skaitliski vienāds ar patērētāja izdalīto siltuma daudzumu $\Delta Q_{a}=I^{2}R\Delta t$. Ja divi patērētāji savienoti virknē, $\Delta Q=I^{2}(R_{1}+R_{2})\Delta t$; lielāks siltuma daudzums izdalās tajā patērētājā, kura pretestība ir lielāka. Ja divi pātērātāji savienoti paralēli, $\Delta Q=({\frac {U^{2}}{R_{1}}}+{\frac {U^{2}}{R_{2}}})\Delta t$; lielāks siltuma daudzums izdalās tajā patērētājā, kura pretestība ir mazāka.

Noslēgtā strāvas ķēdē siltums izdalās ne tikai patērētājā, bet arī strāvas avotā $\Delta Q_{i}=I^{2}r\Delta t$. Tādējādi strāvas pilnais darbs $A_{p}=\Delta Q_{a}+\Delta Q_{i}$. Izsakot ar elektrodzinējspēku $\varepsilon$, $A_{p}=I\varepsilon \Delta t$.

Strāvas avota lietderības koeficients $\eta$ ir patērētāja izdalītā siltuma daudzuma un noslēgtā strāvas ķēdē izdalītā pilnā siltuma daudzuma (darba) attiecība $\eta ={\frac {\Delta Q_{a}}{A_{p}}}$ jeb sprieguma un elektrodzinējspēka attiecība $\eta ={\frac {U}{\varepsilon }}$. $\eta$ var izteikt arī šādi: $\eta ={\frac {1}{1+{\frac {r}{R}}}}$.

Strāvas darba SI mērvienība ir džouls (J).

Jauda

Līdzstrāvas avota jauda $P$ ir strāvas pilnais darbs $A_{p}$ laika vienībā: $P={\frac {A_{p}}{\Delta t}}$ jeb $P=I\varepsilon$, kur $I$ ir strāvas stiprums, $\varepsilon$ ir elektrodzinējspēks.

Jauda, ko avots izdala ārējā ķēdē, ir lietderīgā jauda $P_{l}={\frac {A}{\Delta t}}$ jeb $P_{l}=IU=I^{2}R$.

Lietderīgā jauda ir atkarīga no patērētāja un avota pretestībām: $P_{l}(R)={\frac {\varepsilon ^{2}R}{(R+r)^{2}}}$.

$P_{l}=P_{p}+P_{v}$, kur $P_{p}$ ir patērētāja saņemtā jauda un $P_{v}$ ir jaudas zudumi vados. Pārvades līnijas (vadu) lietderības koeficients $\eta ={\frac {P_{p}}{P_{l}}}=1-{\frac {P_{v}}{P_{l}}}$.

Lai samazinātu nelietderīgos jaudas zudumus pārvades līnijā, jāsamazina vadu pretestība un jāpalielina spriegums.

Strāva dažādās vidēs

• Strāva vakuumā var plūst tikai tad, ja tajā ievietoti elektrodi un starpelektrodu telpā tiek emitēti elektroni (vai citi lādiņnesēji). Vienkāršākā elektronu vakuumierīce ir diode. Citas vakuumierīces ir triode un elektronstaru lampa.

• Metālus veido jonu kristālrežģis, kurā kustas brīvie elektroni. Šo elektronu plūsma metālos rada elektrisko strāvu, tā ir elektronvadītspēja. Jonvadītspēju metāliem praktiski var neievērot (atšķirībā no elektrolītiem). Zemās temperatūrās metāliem piemīt supravadītspēja.

• Strāva plūst elektrolītos, kuriem piemīt jonvadītspēja.
• Parasti gāze strāvu nevada, jo tās molekulas vai atomi ir neitrāli. Gāzes elektrovadītspēju var palielināt, jonizējot neitrālos atomus, tas ir, sadalot tos pozitīvajos jonos un elektronos.
• Strāva plūst pusvadītājos, kuru pretestība ir lielāka nekā vadītājiem un mazāka nekā dielektriķiem.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Elektriskā strāva.
• «1.8. Elektriskā strāva. Oma likums» (latviešu). Arhivēts no oriģināla, laiks: 2019. gada 22. oktobrī. Skatīts: 2019. gada 21. oktobrī.